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区块链技术和行业发展七个新趋势:新架构、新网络、新商业模型

admin 2021-04-30 1765 浏览

背景

新型数字货币战争实际上可分为三部曲:第一阶段与支付相关,第二阶段是银行改革,而第三阶段则是各行各业改革。2021年,由于美国财政部批准银行参与区块链作业,并且可以发行稳定币,美国正式进入第二阶段。但是很明显,美国许多行业正在进行第三阶段的布局。在第三阶段,各行各业都采用区块技术,社会各界开始全面进入区块链和数字货币世界

在2020年11月以前,区块链发展遵循币圈先行、合规市场跟随的模式,因为合规市场需要考虑法律问题。可是在如今区块链发展形势下,这种模式恐怕已不再合适。

2020年6月之后,币圈在悄然发生着重大改变:1)很多数字代币开始合规化;2)许多交易所也服从旅行规则(要求交易者进行个人身份验证);3)大批合规金融机构开始投资数字货币(只能投资合规项目),这使得数字货币市场迅猛发展。2021年4月,全球最大的比特币和数字货币交易平台Coinbase在美国纳斯达克成功上市,代表该币圈交易所全面合规化,而美国监管单位也同意让其股票上市 。

于是,币圈开始抛弃过去一些常见的行为,例如以前零知识证明协议的数字代币可以在交易所交易,现在已被要求下架。现在交易所也进行“了解你的客户”(Know Your Customer, KYC)和反洗钱(Anti-Money Laundering, AML)分析,以前这都是不需要的。

数字代币交易不再匿名,因为美国监管单位已经全面追踪“匿名的”数字代币,这些“匿名的”代币早已透明。现在几乎所有的数字货币交易都已被监管,连国外暗网也不接受比特币,因为如果使用比特币,由于监管的缘故,暗网已不复是暗网了。整个区块链领域发生了翻天覆地的变化:

2021年2月,据美国媒体报导,IBM公司区块链部门重组,超级账本不再是公司产品。美国区块链产业分析师表示纯IT形式的区块链发展模式已经证实不行。而这发生在全球央行、银行、金融机构、大型科技公司全力进入区块链行业之际,说明区块链蓬勃发展的新路线已经找到,其中一个路线就是非同质化代币(Non-Fungible Tokens, NFT),但这并不是唯一,现在是百花齐放的时代

2021年4月13日,美国著名高科技公司Palantir表示美国国税局已和其签约,将使用高科技来追踪比特币交易,这可能就是连暗网都不接受比特币交易的重要原因。

2021年4月14日, Coinbase 在美国成功上市。

2021年4月15日,预言机公司ChainLink发布第2代系统白皮书(以下简称ChainLink白皮书,部分章节译稿见附件)。

2021年4月16日,美联储表示美国央行数字货币(Central Bank Digital Currency, CBDC)是高优先级的项目,这是美联储第一次这样表示。在这以前,2021年2月,美联储曾表示,美国CBDC项目会使用区块链技术(这也是第一次明确表示),而2021年3月,美联储和麻省理工学院表示两个CBDC实验平台会在2021年7月出现。

2021年4月20日,英国开启数字英镑特别工作组(Task Force),支持金融科技公司开展相关科技包括上市计划,提供数据服务。

在不到一个月的时间里,这么多重要事件密集发生,表示数字货币竞争正在紧锣密鼓的进行中。在2021年4月25号,笔者在人民大学重阳金融研究院就以“百花齐放,极速进展”来形容这种激烈的竞争场景。

经过我们的分析,认为区块链行业将出现七个新趋势,包括合规化(第1节),新系统架构(第2,3,4节),新信任网络(第5节),新软件工程(第6节),新商业模型(第7节)。

1.区块链界走向合规化、学术化,数字货币战争第三阶段开启

ChainLink白皮书作者来自美国/欧洲著名大学,包括伯尔尼大学、康纳尔大学、加州大学圣地亚哥分校、伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的教授,也有毕业于哈佛大学或斯坦福大学,和即将入学杜克大学的博士研究生。这几所大学都是享誉全球的著名大学,所以说币圈也开始进入合规化、学术化。

ChainLink白皮书有科技含量,也提出了具体技术,与2017-2018年白皮书泛滥的时代大不相同。这代表区块链领域开始走向成熟,传统币圈开始合规化,以前胡编乱造的白皮书正在消失。这属于数字货币战争第三部曲,币圈现在是从不合规向合规转移,这样,新型数字货币战争的三个阶段等于同时在进行。

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[6]W. T. Tsai, and Lian Yu. "Lessons learned from developing permissioned blockchains." 2018 IEEE International Conference on Software Quality, Reliability and Security Companion (QRS-C). IEEE, 2018.

[7]L. Yu and W. T. Tsai “State Synchronization in Process-Oriented Chaincode,” Journal of Frontier in Computer Science, Vol. 13, July 2019, pp. 1166-1181.

[8]W. T. Tsai, et al., “COMPSACC: A Data-Driven Blockahin Evaluation,” Proc. of IEEE SOSE 2020.

[9]W. T. Tsai, “ChainNet:A New Approach for Structuring System Architecture and Applications, “ Keynote presentation on August 6, 2020 with video recording.

[10]He, J., Wang, R., Tsai, W. T., & Deng, E. (2019, October). SDFS: A Scalable Data Feed Service for Smart Contracts. In 2019 IEEE 10th International Conference on Software Engineering and Service Science (ICSESS) (pp. 581-585). IEEE.

[11]Wei-Tek Tsai, Dong Yang,Kangmin Wang,Weijing Xiang and Enyan Deng, STRISA : A New Architecture to Enforce Travel Rule//FICC 2020

[12]蔡维德,刘琳,姜晓芳. "区块链的中国梦之一: 区块链互联网引领中国科技进步",2018.10.30

[13]蔡维德,姜晓芳,王康明."美国银行界全面进入基于区块链的数字货币",2021.01.06

[14]蔡维德,姜晓芳,王康明."银行和支付体系的改革:新型货币战争进入第二阶段",2021.01.12

[15]蔡维德等.智能合约:重构社会契约[M].法律出版社,2020

[16]蔡维德等.互链网:未来世界的连接方式[M].东方出版社,2020

[17]蔡维德等."互链网:重新定义区块链",2020.04.28

[18]蔡维德等.2020年10月IMF《跨境支付的数字货币:宏观金融的影响》报告解读系列(共十一篇)

[19]蔡维德等."Libra 2.0解读:平台霸权—–打赢新型数字货币战争的决定性武器",2020.05.11

[20]https://www.occ.gov/news-issuances/news-releases/2021/nr-occ-2021-2a.pdf

[21]蔡维德."监管科技新方向:网络化、嵌入式、实时化混合化、智能化、全面化",2020.10.09

[22]蔡维德,姜晓芳.“新货币竞争来了?没错!”,2019.06.21

附录

ChainLink 2.0白皮书提出混合智能合约的新概念,提升OM性能和吞吐量的可扩展性方案,保护用户敏感数据的保密方案,以及对用户公平的交易订单公平性设计方案,除此以外,其他的关键内容,包括屏蔽OM系统的复杂性,和OM的信任最小化模型。以下是白皮书中7个关键内容:

1) 混合智能合约:提供一个功能强大的通用框架,通过将链上和链下的计算资源安全地组合到混合智能合约中,来增强现有的智能合约功能。

2) 屏蔽复杂性:为开发人员和用户提供简单的功能,无需熟悉复杂的底层协议和系统边界。

3) 可扩展性性方案:确保OM服务实现高性能分权式系统所需的延迟和吞吐量。

4) 保密方案:将区块链固有的透明性与对敏感数据的保密保护相结合起来。

5) 交易订单公平性:以对最终用户公平的方式支持交易排序,并防止机器人程序和矿工开展老鼠仓剥削或其他攻击。

6) 信任最小化模型:通过分权式化、区块链中高安全性的强锚定、加密技术和加密经济保证,为智能合约和其他依赖OM的系统创建高度可信的支持层。

7) 基于激励的(加密经济)安全模型:严格设计和稳健部署的机制,确保DON中的节点具有强大的经济激励机制,即使面对资源充足的对手,也能可靠、正确地运行。

混合智能合约

混合智能合约通过将链上和链下计算资源安全地组合到一起来增强智能合约的功能。混合智能合约是由两个互补组件组成:驻留在区块链上的链上组件SC和在DON上执行的链下组件exec。DON是这两个组件之间的桥梁,也是连接混合合约与非链资源(如web服务、其他区块链、分权式存储等)的桥梁。

一个DON(表示为DON1)可以和一系列不同资源的适配器,包括另一个DON(表示为DON2)、区块链(主链)及其内存池、外部存储、web服务器和物联网设备(通过web服务器)进行连接,OM系统的设计也要考虑到多个方面,比如实现扩展性、数据保密和用户交易排序等,我们可以发现OM越发复杂,新型的OM系统开始出现。

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链下在OM处理提升性能和吞吐量

概念图中展示了分权式OM网络如何提高SC的可扩展性。图A显示了传统的OM体系结构。交易直接发送到区块链,就像OM报告一样。因此,以黄色突出显示的区块链是交易处理的主要轨迹。图B显示了使用DON来支持区块链上的SC。DON可执行文件处理交易以及来自外部系统的数据,并将结果(例如,捆绑交易或由于交易的影响而导致的合约状态更改)转发给区块链。因此,以黄色突出显示的DON是事务处理的主要轨迹。

保护用户敏感数据的保密方案

智能合约可以处理机密数据的需求是真实客观存在的,比如使用私人分权式(和集中)金融身份、信贷信息,以及更有效和更方便地使用KYC和认证协议。

ChainLink使用三种主要方法来满足该需求,分别是:1)使用DECO和TOWN技术来实现一个保密适配器,2)使用安全多方计算和可信执行环境技术来实现机密计算,3)支持Lay 2保密系统。 

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图5.敏感数据通过DON保密适配器和保密计算从外部源流向智能合约

图5是DON中敏感数据保密操作的概念图(以黄色突出显示)。web服务器中的敏感源数据(黑色圆圈)使用保密适配器(蓝色双箭头线)提取到DON。DON从这些适配器接收派生数据(空心圆),这是对敏感源数据应用函数或(例如)秘密共享的结果。DON上的可执行文件可以对派生数据应用机密计算来构造报告(双环),并通过适配器将其发送到区块链。

FSS确保交易订单公平性

如今的区块链设计有一个肮脏的公开秘密:矿工和验证者可以自主选择哪些交易进行打包或验证,用户还可以根据支付的网络费用(例如以太坊的Gas费)来操纵交易顺序。矿工监听用户的交易,并将自身的利用性交易插入同一区块中的较早位置,从而通过利用对用户交易的预先判断,从用户那里窃取资金,这就是名叫老鼠仓的操纵形式。例如,机器人程序可以在用户的购买订单之前下一个购买订单,然后从用户交易引起的资产价格上涨中获利。

“公平排序服务”(Fair Sequencing Service, FSS)是现代交易非常重要的规则,防止交易所或是交易系统作弊。Chainlink也提供 FSS服务,FSS帮助智能合约设计人员确保其交易的公平排序,并避免对用户交易以及其他类型事务(如OM报表传输)的前向运行、后向运行和相关攻击。FSS使DON能够实现一些思想,比如引入严格的时序公平性概念,此外FSS还可以降低用户的网络费用(例如Gas成本)。

简单地说,在FSS中,事务通过DON传递,而不是直接传到目标智能合约。DON下单交易,然后将它们转发给合约。

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图6:FSS受益的示例

图A是矿工利用其中心化的处理交易的能力来交换两个交易:交易1在交易2之前到达,而矿工却对齐交易顺序颠倒。图B展示出DON如何在DON节点之间分权式排序过程。如果诚实节点的仲裁在2之前接收到1,FSS会在链上使交易1出现在交易2之前,其方式是通过附加合约可执行的序列号来防止矿工重新排序。 

可信执行环境TEE

可信执行环境(Trust Execution Environment, TEE)是应用程序的独立的执行环境,通常具有特殊用途的硬件支持。TEE的使命在于提供强大的安全特性,如机密性和应用程序完整性,即软件的抗篡改性。TEE是一项工业界和学术界都在火热进行的研究工作,它会产生非常巨大的行业影响

一些TEE可以产生证明,即一个特定的程序对特定的输入正确地计算输出。一种基于TEE的TEF同步变体可以通过将(zk-)rollups汇总中的证明或有效性替换为TEE认证来实现。

相比于用于Rollups和Validum的零知识证明,TEEs的性能要好得多。与门限签名相比,TEE消除了生成门限ECDSA签名的复杂性,因为原则上只需要一个TEE。然而,使用TEE会引入额外的依赖于硬件的信任假设。您还可以将TEE与阈值签名结合起来,以创建防止部分TEE实例泄漏的容错性,尽管这种保护措施重新引入了生成阈值ECDSA签名的复杂性。

更强大的灵活性:这些同步选项可以通过以下方式进行改进,以提供更大的灵活性。

  • 灵活触发:TEF应用程序可以确定同步触发的条件。例如,同步可以是基于批处理的,例如,在每N个事务之后发生,基于时间的,例如,每10个块发生,或者基于事件的,例如,在目标资产价格发生显著变化时发生。

  • 部分同步:在某些情况下(例如,使用Rollup,部分同步可以减少延迟),可以提供少量状态的快速同步,可能只定期执行完全同步。例如,可以通过在中更新用户的余额来批准取款请求,而无需更新主链的状态。

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像Intel SGX和Keystone这样的TEE允许应用程序在被称为enclave的受保护环境中执行,原则上这样可以保护它们的完整性和机密性。设计TEE是为了实现一个强大的、非常通用的功能,它甚至包括强大的加密原语,如虚拟黑匣子混淆,但事实证明,仅使用密码学是无法实现的。

TEE是是Town cryer的基础,它将在区块链系统中发挥越来越重要的作用, 出于对TEE安全性的担忧,其目前没有被大规模采用。

TEE安全性讨论:

最近针对英特尔SGX(唯一具有认证能力的商品TEE)的攻击,使人们对TEE在实践中的安全性产生了怀疑。

缓解措施有:以认识到其潜在的危害的方式去部署TEE。

一种是使用它们进行深度防御,也就是加固系统。Town cryer可以这样看:值得信赖的OM使用者应该为用户提供保密性和完整性,但Town cryer的使用加强了这种保证。类似地,TEE可以以不依赖于完美安全性的方式部署。例如,密封玻璃证明算法可以使用TEE来保证完整性,而不是保密性(尽管最近的侧通道攻击会损害这两者)。

最后,可以设计具有前向安全性的基于TEE的协议,这样的话,如果已知有中断(1)用户可以避免使用TEE;(2)中断不会回溯性地影响以前的协议调用。这种方法将极大地限制对手利用TEE漏洞的机会窗口。

比如说,在TEE控制用户资金的协议中,用户可以将这些资金转移到专门用于TEE临时使用的地址中。在TEE强制长期数据保密的协议中,频繁的键轮换将达到类似的目的。

又比如说,TEE可以用于实现机密定义的ConfSwitch适配器。TEE接收在公共密钥pk TEE(t)下加密的(q, switch),其epoch t持续,例如一周,并生成输出s = switch(r)。然后,它会清除它处理过的所有数据。在每个新纪元的开始,它删除它的旧键,生成一个新键,并将其发布给BC或者主链。(这样的发布可以通过账本上带有每个纪元启动器的可执行文件来实现。)另外,用户可以在任何时候通过协议中止。

当然,用户在这个模型中可能遭受零日攻击,即未发布的攻击。但是,使用零日攻击是有代价的,即通过发布补丁而暴露和失效的风险

蔡维德

北航数字社会与区块链实验室主任,天德科技首席科学家,国家科技部重大项目负责人,中国信息界区块链研究院院长,国家大数据(贵州)综合试验区区块链互联网实验室主任, 天民(青岛)国际沙盒研究院院长, 赛迪(青岛)区块链研究院名誉院长,中国亚洲经济发展协会区块链产业专业委员会会长,人民创投区块链研究院专家委员会特聘专家,中国区块链生态联盟专家委员会主任,山东省互联网金融工程技术研究院中心首席科学家,广电运通区块链首席科学家

姜晓芳

北航计算机学院博士生,特许金融分析师(CFA),北京金融分析师协会发起会员

王康明

北京航空航天大学硕士研究生,区块链方向

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